新型熱電-水凝膠復(fù)合冷卻服裝：應(yīng)對(duì)極端高溫的可穿戴解決方案

近年來(lái)，由于氣候變化和城市熱島效應(yīng)，極端高溫事件日益頻繁和嚴(yán)重。濕球溫度（WBT）超過(guò)35°C時(shí)，人體即使處于休息狀態(tài)、有充足飲水也難以存活。傳統(tǒng)的水凝膠蒸發(fā)冷卻在高溫高濕環(huán)境下效果有限，因其表面溫度較低，蒸發(fā)速率不足。此外，熱電冷卻器（TED）在高溫環(huán)境中散熱困難，也限制了其應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)一種能夠在極端條件下持續(xù)、高效工作的個(gè)人冷卻系統(tǒng)迫在眉睫。

美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校陳仁坤教授、蔡盛強(qiáng)教授研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種新型混合冷卻服裝，將熱電裝置（TED）與水凝膠結(jié)合，顯著提升了在高溫高濕環(huán)境下的個(gè)人冷卻效果。該系統(tǒng)利用TED主動(dòng)降低皮膚溫度，同時(shí)加熱水凝膠以增強(qiáng)蒸發(fā)冷卻，可在高達(dá)55°C的環(huán)境溫度和88%的相對(duì)濕度下持續(xù)運(yùn)行6小時(shí)以上，并能夠根據(jù)環(huán)境變化和人體代謝熱動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)冷卻功率。相關(guān)工作以“Thermoelectrically elevated hydrogel evaporation for personal cooling under extreme heat”為題，發(fā)表在Cell Reports Physical Science雜志。

研究人員首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬分析了水凝膠的蒸發(fā)特性。圖1展示了全球多個(gè)地區(qū)極端高溫高濕條件下的濕球溫度記錄，突顯了開(kāi)發(fā)高效冷卻技術(shù)的緊迫性。圖2揭示了TED-水凝膠復(fù)合裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理：TED的冷側(cè)接觸皮膚，熱側(cè)與水凝膠相連，通過(guò)提升水凝膠表面溫度顯著加快蒸發(fā)速率。圖3進(jìn)一步通過(guò)紅外圖像和蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)表明，水凝膠表面溫度越高，蒸發(fā)冷卻效果越強(qiáng)；模擬結(jié)果也證實(shí)，TED-水凝膠組合在高溫環(huán)境下仍能提供正凈冷卻功率，而單一水凝膠則無(wú)法應(yīng)對(duì)高于42°C的環(huán)境。

圖1: 不同干球溫度（DBT）和相對(duì)濕度（RH）下的等濕球溫度曲線。紅圈標(biāo)注了全球多個(gè)地區(qū)報(bào)告的最高濕球溫度（約38°C），菱形標(biāo)記為實(shí)驗(yàn)所采用的條件。

圖2: （A）TED-水凝膠個(gè)人冷卻服裝示意圖；（B）柔性可穿戴冷卻服裝實(shí)物圖；（C）聚丙烯酰胺水凝膠的結(jié)構(gòu)與化學(xué)式；（D）水凝膠與TED-水凝膠器件在厚度方向的溫度分布對(duì)比。

圖3: （A）水凝膠質(zhì)量損失測(cè)量裝置；（B）水凝膠表面溫度紅外圖像；（C）水凝膠質(zhì)量損失比的實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果；（D）不同環(huán)境溫度和水凝膠表面溫度下的蒸發(fā)速率與熱通量；（E）COMS模擬得到的凈冷卻功率；（F）在55°C、30% RH條件下，水凝膠與TED-水凝膠器件的溫度分布模擬結(jié)果。

在單一TED-水凝膠器件的實(shí)驗(yàn)中（圖4），研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了該系統(tǒng)在不同溫濕度組合（均對(duì)應(yīng)WBT≈38°C）下的穩(wěn)定性能。結(jié)果表明，盡管環(huán)境干球溫度和濕度差異顯著，系統(tǒng)仍能維持皮膚溫度在舒適范圍內(nèi)（33.8–35.8°C）。隨著TED電壓升高，冷側(cè)溫度進(jìn)一步降低，熱側(cè)溫度上升，蒸發(fā)增強(qiáng)。長(zhǎng)期測(cè)試顯示，該裝置可連續(xù)工作超過(guò)1小時(shí)，性能顯著優(yōu)于單一水凝膠系統(tǒng)。

圖4: （A）單TED-水凝膠器件測(cè)試示意圖；（B）器件實(shí)物圖；（C）相同濕球溫度（~38°C）下不同溫濕度組合的冷卻性能；（D）TED-水凝膠與單一水凝膠在相同WBT下的性能對(duì)比；（E）不同環(huán)境溫度下的冷熱側(cè)溫度；（F）不同濕度對(duì)溫度的影響。

隨后，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)4×4 TED陣列的柔性冷卻服裝（圖5），覆蓋高導(dǎo)熱織物，并在每個(gè)TED上放置水凝膠層。該服裝在不同環(huán)境條件（45–50°C，30–50% RH）和人體代謝熱負(fù)荷（50–150 W/m2）下均能有效維持皮膚溫度低于35.8°C。使用5毫米厚水凝膠時(shí)，冷卻時(shí)間超過(guò)6小時(shí)；3毫米水凝膠也可持續(xù)4小時(shí)。通過(guò)集成PID溫度控制器和電池組（圖6），系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)TED功率，適應(yīng)環(huán)境波動(dòng)，保持皮膚溫度穩(wěn)定。

圖5: （A）4×4 TED陣列冷卻服裝測(cè)試示意圖；（B）不同電壓和環(huán)境溫度下的冷側(cè)、熱側(cè)和織物中部溫度；（C）不同人體熱通量下的皮膚溫度；（D）不同厚度水凝膠的長(zhǎng)期性能測(cè)試。

圖6: （A）帶溫控器和電池組的冷卻服裝實(shí)物；（B）冷側(cè)與 hydrogel 側(cè)的紅外圖像；（C–D）不同設(shè)定溫度下的系統(tǒng)響應(yīng)；（E）環(huán)境溫度動(dòng)態(tài)變化時(shí)的溫度控制效果。 圖7: TED（強(qiáng)制風(fēng)冷）、水凝膠單獨(dú)使用及TED-水凝膠復(fù)合系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下的冷卻性能對(duì)比。

該項(xiàng)研究證明，TED-水凝膠混合系統(tǒng)在極端高溫環(huán)境下具有顯著優(yōu)勢(shì)，不僅冷卻效率高，還具備可調(diào)節(jié)、可持續(xù)的特點(diǎn)。未來(lái)通過(guò)采用更高性能的熱電材料和優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有望進(jìn)一步減輕重量、降低成本，推動(dòng)該技術(shù)在戶外工作者、高溫作業(yè)人員等群體中的廣泛應(yīng)用，為應(yīng)對(duì)全球變暖帶來(lái)的健康威脅提供有效解決方案。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

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